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黑洞是宇宙中最致密 也最神奇的天體 經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的等待，在全球200多位科學(xué)家的努力之下，世界上第一張黑洞照片終于出來(lái)啦。 發(fā)布會(huì)中，公布的照片長(zhǎng)這樣下面這樣，圓圓的，紅紅的，好像還有點(diǎn)糊。 發(fā)布會(huì)公布黑洞照片 這張照片要怎么看呢？讓超模君帶你去看一下。 知識(shí)點(diǎn)一：黑洞本體看不見(jiàn) ↓ ↓ ↓ 知識(shí)點(diǎn)二：周邊的紅色是經(jīng)過(guò)處理的 ↓ ↓ ↓ 知識(shí)點(diǎn)三：光圈是非對(duì)稱(chēng)的 ↓ ↓ ↓ 知識(shí)點(diǎn)四：這張照片是拼湊出來(lái)的 ↓ ↓ ↓ 最后，最重要的是，愛(ài)因斯坦百年前（1915年）提出的廣義相對(duì)論，通過(guò)這次照片證明，它是對(duì)的！ 假如你想知道更多關(guān)于黑洞的知識(shí)，可以點(diǎn)擊下圖，查看昨天超模的首圖文。 今天，作為人類(lèi)史上第一張黑洞照片出爐，它的歷史意義毋庸置疑是要出現(xiàn)在以后的教科書(shū)里的。 為了紀(jì)念這個(gè)歷史時(shí)刻，相比于科普知識(shí)，超模君更想帶你去再次了解一遍人類(lèi)在發(fā)現(xiàn)黑洞過(guò)程，那個(gè)漫長(zhǎng)而曲折的故事。 最早的黑洞概念 雖然黑洞這個(gè)名詞是20世紀(jì)才提出，但是早在18世紀(jì)末，英國(guó)物理學(xué)家約翰·米歇爾和法國(guó)數(shù)學(xué)家拉普拉斯就曾預(yù)言過(guò)這種神秘天體的存在。 1783年，米歇爾在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)做了一場(chǎng)報(bào)告，他提出了一個(gè)觀(guān)點(diǎn)：有可能存在一種引力強(qiáng)到連光也無(wú)法從其周?chē)右莸奶祗w，也就是所謂的“暗星”。 無(wú)獨(dú)有偶，1796年，數(shù)學(xué)家拉普拉斯所撰寫(xiě)的《宇宙體系論》中也指出了存在暗星的可能性。 拉普拉斯 那米歇爾與拉普拉斯所說(shuō)的暗星是個(gè)什么概念呢？讓我們從一個(gè)簡(jiǎn)單的思想實(shí)驗(yàn)說(shuō)起。
一個(gè)天體表面的逃逸速度，只取決于這個(gè)天體的質(zhì)量和半徑。如果天體的半徑固定不變，其表面的逃逸速度會(huì)隨著天體質(zhì)量的增大而增大；反之，如果天體的質(zhì)量固定不變，其表面的逃逸速度會(huì)隨著天體半徑的減小而增大。 也正是這個(gè)非常簡(jiǎn)單的逃逸速度，催生了暗星的概念。可惜這個(gè)暗星理論提出沒(méi)多久，就遭到了當(dāng)頭一棒。 要解釋暗星理論遭遇了怎樣的打擊，我們需要先介紹一個(gè)困擾人類(lèi)好幾百年的超級(jí)難題：光到底是什么東西？ 光是什么？ 關(guān)于光的本性，史上曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)兩大學(xué)派：其中一派是以牛頓為代表的粒子說(shuō)，認(rèn)為光由某種堅(jiān)硬的粒子構(gòu)成；另一派是以惠更斯為代表的波動(dòng)說(shuō)，認(rèn)為光是某種介質(zhì)的波動(dòng)。 但由于牛頓的巨大威望，在整個(gè)17世紀(jì)中，光的粒子說(shuō)占據(jù)了上風(fēng)。也正是基于光的粒子說(shuō)，米歇爾和拉普拉斯才把逃逸速度和光速聯(lián)系在一起，進(jìn)而提出了暗星理論。 但19世紀(jì)初，英國(guó)著名物理學(xué)家托馬斯·楊做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，把原本高高在上的粒子說(shuō)打入了萬(wàn)丈深淵。 托馬斯·楊 這就是著名的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)。
不過(guò)在實(shí)際做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，托馬斯·楊發(fā)現(xiàn)在被擋板遮住的區(qū)域內(nèi)，同樣出現(xiàn)了很多明暗相間的條紋。 換句話(huà)說(shuō)，光并非一直走直線(xiàn)，而在行進(jìn)的過(guò)程中發(fā)生了拐彎。這就不是粒子能做到的事了，必須是波才可以。換言之，楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)只能用波動(dòng)說(shuō)、而不能用粒子說(shuō)來(lái)解釋的現(xiàn)象。 這對(duì)暗星理論而言也是一個(gè)大噩耗。因?yàn)橐χ荒茏饔迷诠饬Ｗ由?，而無(wú)法作用于光波。 既然理論不能成立，拉普拉斯也在1808年，他對(duì)《宇宙體系論》進(jìn)行了再版，并且刪掉了所有關(guān)于暗星的內(nèi)容。
暗星理論重出江湖 從那以后，暗星理論早已被人遺忘在歷史的垃圾堆。 但在20世紀(jì)初，故事又發(fā)生了反轉(zhuǎn)。 當(dāng)時(shí)德國(guó)物理學(xué)家普朗克和愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，同樣存在必須用粒子說(shuō)、而不能用波動(dòng)說(shuō)解釋的現(xiàn)象。 也就是光其實(shí)既是一種粒子，又是一種波，這就是所謂的波粒二象性。
卡爾·史瓦西 廣義相對(duì)論有一個(gè)最核心的方程，叫愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程，而且此方程非常復(fù)雜。愛(ài)因斯坦本人也無(wú)法找到它的精確解……
史瓦西一下子就對(duì)這個(gè)公式感了興趣。只花了幾天的時(shí)間，就快刀斬亂麻地找到了愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程的一個(gè)精確解，那就是著名的史瓦西解。
史瓦西解描述了一個(gè)有質(zhì)量、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)、無(wú)電荷的球?qū)ΨQ(chēng)天體，其周?chē)臅r(shí)空具有怎樣的幾何特征。 基于這個(gè)史瓦西解，史瓦西又發(fā)現(xiàn)了一件意義重大的事情。如果一個(gè)質(zhì)量為M的球形天體，收縮到一個(gè)特定的范圍以?xún)?nèi)，光就無(wú)法再?gòu)乃谋砻嫣右荨?/span> 換句話(huà)說(shuō)，如果一個(gè)球形天體的半徑小于一個(gè)特定的數(shù)值，它就會(huì)變成一個(gè)連光也跑不出去的太空監(jiān)獄。 這個(gè)特定的數(shù)值就是所謂的史瓦西半徑，其大小為R=2GM/c^2。 其中牛頓引力常數(shù)G=6.674×10^{-11} N·kg^{-2}·m^2，而光速c=2.998×10^{8}·m/s。 如果把太陽(yáng)的質(zhì)量（即1.989×10^{30}kg）帶入此公式，可以算出太陽(yáng)的史瓦西半徑約為2954米；如果把地球的質(zhì)量（即5.972×10^{24}kg）帶入此公式，可以算出地球的史瓦西半徑約為8.869毫米。 也就是說(shuō)，如果太陽(yáng)的半徑縮小到2954米，或者地球的半徑縮小到8.869毫米，就會(huì)變成連光都能囚禁的恐怖監(jiān)獄。 史瓦西的發(fā)現(xiàn)讓沉寂了100多年的暗星理論得以復(fù)活。一個(gè)天體要是坍縮到史瓦西半徑以?xún)?nèi)，就會(huì)變成一顆永遠(yuǎn)也看不到的暗星。 但是愛(ài)因斯坦和愛(ài)丁頓堅(jiān)決反對(duì)這樣的可能性。 他們認(rèn)為，史瓦西解只是一場(chǎng)純粹的數(shù)學(xué)游戲；在真實(shí)的物理世界中，根本不存在半徑小于史瓦西半徑的天體。 按照愛(ài)丁頓的說(shuō)法，一定存在某種機(jī)制，阻止天體塌縮到史瓦西半徑以?xún)?nèi)。 由于愛(ài)因斯坦和愛(ài)丁頓的巨大威望，很長(zhǎng)一段時(shí)間，這種看法都是天文學(xué)界的主流。 黑洞名字的由來(lái) 前面我們有說(shuō)到，米歇爾和拉普拉斯管這種太空監(jiān)獄叫“暗星”。 到了20世紀(jì)中葉，天文學(xué)界則稱(chēng)它為“引力完全塌縮天體”。 但許多人認(rèn)為，這兩個(gè)名字都不夠理想：前者不夠清晰，而后者又過(guò)于拗口。 在1967年底的一次學(xué)術(shù)會(huì)議上，來(lái)自是美國(guó)著名物理學(xué)家約翰·惠勒首次把這種連光都逃不出去的太空監(jiān)獄稱(chēng)為“黑洞”。
約翰·惠勒 這個(gè)名字，很快就以它的簡(jiǎn)潔和神秘，得到了世界各國(guó)天文學(xué)家的認(rèn)可。 但法國(guó)天文界卻死活也不同意，因?yàn)樗麄冇X(jué)得黑洞這個(gè)名字過(guò)于色情。 有了名字以后，黑洞的研究變得越來(lái)越熱門(mén)，最終成為了天文學(xué)最大的熱點(diǎn)之一。 人們利用理論物理的工具，對(duì)黑洞進(jìn)行了大量的研究，而這些研究后來(lái)又極大地促進(jìn)了理論物理的發(fā)展，于是才有了今天發(fā)布的人類(lèi)史上第一張黑洞照片。
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